Mια κινέζικη εταιρεία κατασκευής μπαταριών η Betavolt έχει αναπτύξει μια σημαντική νέα ανακάλυψη, πυροδοτώντας έτσι έναν παγκόσμιο αγώνα για συμπαγή πυρηνική ενέργεια.
Η καινοτομία είναι μια μικρή μπαταρία μεγέθους νομίσματος που τροφοδοτείται από ένα ραδιενεργό ισότοπο νικελίου που διασπάται σε σταθερό χαλκό. Ενώ το αρχικό στοιχείο είναι σχετικά αδύναμο, μπορεί εύκολα να τοποθετηθεί σε στρώματα για να παρέχει περισσότερη ισχύ για έως και 50 χρόνια.
Η τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας έχει φτάσει σε ένα μεταμορφωτικό ορόσημο καθώς η BV100, μια μικροσκοπική μπαταρία ατομικής ενέργειας, εισέρχεται στη μαζική παραγωγή. Το Popular Mechanic σημειώνει ότι η κυψέλη μεγέθους νομίσματος από την Beijing Betavolt New Energy Technology μπορεί να παρέχει δυναμική που διαρκεί έως και 50 χρόνια χωρίς φόρτιση ή συντήρηση.
Η τεχνολογία αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό άλμα προς πρακτικές και επεκτάσιμες λύσεις πυρηνικής ενέργειας.
Η καινοτομία τοποθετεί τη Betavolt ως παγκόσμιο ηγέτη στον αγώνα για την εμπορικά χρήση των πυρηνικών μπαταριών, έναν τομέα στον οποίο εταιρείες από την Κίνα, τις ΗΠΑ και την Ευρώπη ανταγωνίζονται σκληρά. Η επιτυχία της Betavolt έχει ήδη κερδίσει την αναγνώριση στην επιστημονική κοινότητα της Κίνας.
Η εταιρεία κέρδισε το τρίτο βραβείο στον Διαγωνισμό Καινοτομίας 2023 της Εθνικής Πυρηνικής Εταιρείας της Κίνας και έχει καταχωρίσει διπλώματα ευρεσιτεχνίας στην εγχώρια αγορά ενώ προετοιμάζει παγκόσμιες αρχειοθετήσεις στο πλαίσιο του PCT.
Η λειτουργία της BV100
Αυτή η ανακάλυψη ξεκίνησε πέρυσι όταν η Betavolt παρουσίασε την BV100 ως την πρώτη πυρηνική μπαταρία που ενσωματώνει την τεχνολογία ημιαγωγών διαμαντιών τέταρτης γενιάς της Κίνας. Το BV100 αξιοποιεί την ενέργεια από τη ραδιενεργή διάσπαση του πυρήνα του νικελίου-63.
Ο πυρήνας πάχους δύο μικρών, που βρίσκεται ανάμεσα σε δύο ημιαγωγούς διαμαντιού πάχους 10 μικρών, μετατρέπει αποτελεσματικά τη διάσπαση του ισοτόπου σε ηλεκτρική ενέργεια.
Η αρθρωτή δομή του επιτρέπει την επεκτασιμότητα, με πολλαπλές μονάδες που συνδυάζονται σε σειρά ή παράλληλα για τη δημιουργία μπαταριών διαφορετικών μεγεθών και χωρητικότητας.
Συμπαγές αλλά ισχυρό, το BV100 έχει περίπου το μέγεθος ενός μικρού νομίσματος και αποδίδει ισχύ 100 μικροβάτ στα 3 βολτ. Ενώ η τρέχουσα χωρητικότητά της είναι ανεπαρκής για συσκευές υψηλής ενέργειας όπως smartphone ή φορητούς υπολογιστές, η Betavolt οραματίζεται εφαρμογές που συνδυάζουν πολλές μπαταρίες για να ανταποκριθούν σε μεγαλύτερες απαιτήσεις.
Η εταιρεία σχεδιάζει να κυκλοφορήσει μια πιο ισχυρή έκδοση ενός Watt αργότερα φέτος, με χρήσεις που κυμαίνονται από ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης έως drones ικανά να πετούν συνεχώς χωρίς επαναφόρτιση.
Τα πλεονεκτήματα της πυρηνικής μπαταρίας
Τα πλεονεκτήματα της πυρηνικής μπαταρίας εκτείνονται πέρα από τη μακροζωία και τη συμπαγή λειτουργία. Σε αντίθεση με τις συμβατικές χημικές μπαταρίες, διαθέτει ενεργειακή πυκνότητα δέκα φορές μεγαλύτερη από τις μπαταρίες λιθίου, αποθηκεύοντας 3.300 milliwatt/h ανά γραμμάριο. Είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό σε ακραίες συνθήκες, λειτουργεί αξιόπιστα σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από -60°C έως +120°C χωρίς αυτοεκφόρτιση ή κίνδυνο πυρκαγιάς ή έκρηξης. Η εταιρεία ισχυρίζεται ότι οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις του κυττάρου είναι ελάχιστες, καθώς ο πυρήνας του ραδιενεργού νικελίου-63 διασπάται σε σταθερό χαλκό με την πάροδο του χρόνου, εξαλείφοντας την ανάγκη για δαπανηρές διαδικασίες ανακύκλωσης.
Η καινοτομία της Betavolt ξεφεύγει από τα παραδοσιακά σχέδια πυρηνικών μπαταριών που βασίζονταν σε ογκώδεις και ακριβές θερμοηλεκτρικές γεννήτριες που αναπτύχθηκαν κατά την εποχή του Ψυχρού Πολέμου. Αυτά τα παλαιότερα μοντέλα περιορίστηκαν σε εφαρμογές αεροδιαστημικής λόγω υψηλών εσωτερικών θερμοκρασιών και ανησυχιών για την ασφάλεια. Αντίθετα, η τεχνολογία βήταβολταϊκών της Betavolt παράγει ηλεκτρική ενέργεια μέσω σωματιδίων βήτα που εκπέμπονται κατά τη διάρκεια της ραδιενεργής αποσύνθεσης – μια ασφαλέστερη και πιο συμπαγής εναλλακτική λύση.
Η Betavolt σημειώνει ότι η τεχνολογία της έχει πρακτικά απεριόριστες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων περιπτώσεων χρήσης σε αεροδιαστημικά συστήματα, συσκευές τεχνητής νοημοσύνης, ιατρικό εξοπλισμό, μικρά drones, μικρο-ρομπότ και πολλά άλλα. Ουσιαστικά οτιδήποτε απαιτεί τροφοδοτικά μεγάλης διάρκειας είναι μια πιθανή αγορά. Αυτή η ικανότητα έχει επίσης εφαρμογές σε τομείς υπερπυκνωτών και υλικών νανοσωλήνων άνθρακα εξαιρετικά μεγάλου μήκους.
Παγκόσμιο ενδιαφέρον
Η ανακάλυψη έχει προκαλέσει το παγκόσμιο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη πυρηνικών μπαταριών. Ιδρύματα όπως το Northwest Normal University στην Κίνα εξερευνούν παρόμοιες τεχνολογίες χρησιμοποιώντας σπάνια ισότοπα όπως ο άνθρακας-14. Διεθνείς ανταγωνιστές όπως η City Labs στις Η.Π.Α., η Kronos Advanced Technologies, η Yasheng Group και η Arkenlight στο Ηνωμένο Βασίλειο προωθούν επίσης τις προόδους στην τεχνολογία betavoltaic. Η City Labs έλαβε πρόσφατα χρηματοδότηση από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας για την ανάπτυξη βήταβολταϊκών μπαταριών μεγάλης διάρκειας για ιατρικές συσκευές όπως βηματοδότες και τεχνητές καρδιές. Ωστόσο, αυτά τα κύτταρα χρησιμοποιούν τρίτιο και όχι νικέλιο ως ραδιενεργό πυρήνα.
Πώς λειτουργεί η πυρηνική μικρομπαταρία της Betavolt
Η μπαταρία BV100 αξιοποιεί τη διαδικασία της βήτα-διάσπασης για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ο πυρήνας της αποτελείται από το ισότοπο νικέλιο-63, το οποίο διασπάται φυσικά με την πάροδο του χρόνου, εκπέμποντας σωματίδια βήτα (ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας).
Τα σωματίδια αυτά χτυπούν δύο λεπτά στρώματα μονοκρυσταλλικών διαμαντένιων ημιαγωγών (πάχους 10 μικρών έκαστο) που είναι τοποθετημένα γύρω από τον πυρήνα. Η σύγκρουση προκαλεί την απελευθέρωση ηλεκτρονίων, δημιουργώντας ένα σταθερό ηλεκτρικό ρεύμα.
Η διαδικασία αυτή είναι:
- Ασφαλής: Τα σωματίδια βήτα δεν διαπερνούν καν ένα φύλλο αλουμινίου.
- Σταθερή: Το νικέλιο-63 έχει χρόνο ημιζωής 100 ετών, με πλήρη ενεργειακή διάρκεια περίπου 50 χρόνια.
- Ανακυκλώσιμη: Μετά την εξάντληση, το νικέλιο μετατρέπεται σε σταθερό χαλκό, φιλικό προς το περιβάλλον.
Η διαδικασία βήμα-βήμα γίνεται ως εξής:
- Το νικέλιο-63 διασπάται, εκπέμποντας σωματίδια βήτα.
- Τα σωματίδια βήτα προσκρούουν στους διαμαντένιους ημιαγωγούς.
- Η σύγκρουση παράγει ηλεκτρόνια που κινούνται και δημιουργούν ηλεκτρικό ρεύμα.
- Το ρεύμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας ή να φορτίζει μικρούς πυκνωτές για αποθήκευση.
Γιατί είναι διαφορετική;
Σε αντίθεση με τις παλιές πυρηνικές μπαταρίες (RTGs) που χρησιμοποιούσαν θερμική ενέργεια και ήταν μεγάλες και βαριές, η τεχνολογία της Betavolt είναι:
- Σταθερής κατάστασης (solid-state) χωρίς κινούμενα μέρη.
- Αθόρυβη και χωρίς θερμότητα.
- Μικροσκοπική, με μέγεθος μικρότερο από κέρμα.
